Компактное зарядное устройство с питанием от двухэлементной солнечной батареи

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2016

Fran Hoffart, Linear Technology

Design Note 491

Введение

С развитием микромощной электроники появилась возможность размещения датчиков с батарейным питанием и других устройств вдали от электрических сетей. В идеале, для полной независимости от сети батареи не должны требовать замены, а должны заряжаться от источников возобновляемой энергии, доступных непосредственно на месте, таких, например, как солнечная энергия. Эта статья показывает, как сделать компактное устройство заряда аккумуляторов, работающее от двух солнечных панелей. Характерной особенностью этой конструкции является то, что для извлечения из солнечной панели наибольшего количества энергии DC/DC преобразователь использует слежение за точкой максимальной мощности [1].

Важность управления точкой максимальной мощности

Хотя все солнечные элементы или солнечные панели классифицируются по отдаваемой мощности, для каждой конкретной панели доступная мощность является почти постоянной. Ее выходная мощность зависит от освещенности, температуры и от тока, забираемого из панели в нагрузку. Для иллюстрации этого на Рисунке 1 показана вольтамперная характеристики двухэлементной солнечной панели при постоянном уровне освещенности. Кривая зависимости тока от напряжения носит относительно постоянный характер в диапазоне от тока короткого замыкания (левый конец кривой) до тока нагрузки порядка 550 мА, когда начинается изгиб характеристики, после которого солнечную панель можно в первом приближении считать источником напряжения, максимальное значение которого соответствует напряжению холостого хода (справа). На изгибе вольтамперной характеристики кривой выходной мощности панели виден отчетливый пик примерно в точке 750 мВ/530 мА. Если ток нагрузки увеличивается, уходя за пределы пика мощности, кривая мощности быстро спадает до нуля (левый нижний край). Аналогично сдвигают кривую мощности к нулю и легкие нагрузки (правый нижний край), однако таких проблем, как большие токи, это не создает.

Рисунок 1.	Выходное напряжение, ток и мощность солнечной панели.

Разумеется, на уровень доступной мощности влияет освещение панели: меньше света означает меньшую мощность, больше – бóльшую. Хотя пиковый уровень выходной мощности напрямую зависит от освещенности, его влияние на смещение положения этого пика на шкале напряжений не столь значительно. То есть, независимо от освещенности, выходное напряжение панели, при котором пиковая мощность достигает максимального значения, остается относительно постоянным. Таким образом, имеет смысл удерживать выходной ток в пределах значений, при которых напряжение солнечной панели оставалось бы на уровне или выше этого пика – в нашем случае это 750 мВ. Это называется управлением точкой максимальной мощности (MPPC – maximum power point control).

Рисунок 2 демонстрирует влияние изменения уровня солнечной освещенности на зарядный ток при управлении точкой максимальной мощности и без него. Имитируемый уровень освещенности изменялся от 100% примерно до 20%, а затем обратно до 100%. Обратите внимание, что при снижении интенсивности солнечного света до 20% выходное напряжение и ток солнечной панели также уменьшаются, однако управление точкой максимальной мощности в микросхеме LTC3105 не допускает падения выходного напряжения ниже запрограммированного уровня 750 мВ. Это достигается за счет уменьшения выходного зарядного тока LTC3105, чтобы не позволить напряжению солнечной панели упасть практически до нуля, как показано на осциллограмме в правой части Рисунка 2. Без управления точкой максимальной мощности даже небольшое снижение потока солнечного света может полностью прервать зарядный ток.

Рисунок 2.	Влияние уровня солнечной освещенности на зарядный ток.

Повышающий преобразователь LTC3105 с контролем входной мощности

Повышающий DC/DC преобразователь LTC3105 разрабатывался, прежде всего, для заряда аккумуляторов энергией, получаемой из окружающей среды, например, от солнечных элементов или термоэлектрических генераторов. Для извлечения из источника максимального количества энергии в LTC3105 используется MPPC. LTC3105 способен запускаться уже при входном напряжении 250 мВ, что позволяет использовать преобразователь в схемах, питающихся как от одиночного гальванического элемента, так и от батареи из девяти-десяти элементов.

Отключение выхода дает возможность исключить из схемы изолирующий диод, часто необходимый для других DC/DC преобразователей, питающихся от солнечного света, и позволяет выходному напряжению быть как больше, так и меньше входного. Пороговое значение коммутируемого тока 400 мА во время запуска схемы снижается, что дает ей возможность работать от источников с относительно высоким импедансом, но, в то же время, обеспечивает уровень мощности, достаточный для многих малопотребляющих приложений, как только преобразователь переходит в нормальный режим работы. Кроме того, набор функций схемы дополнен линейным LDO стабилизатором напряжения с выходным током 6 мА, выходом «Питание в норме» с открытым стоком, блокировкой входа и пульсирующим режимом для увеличения КПД в маломощных приложениях.

Зарядное устройство Li-Ion аккумуляторов с питанием от солнца

На Рисунке 3 изображена схема компактного зарядного устройства с солнечным питанием, основанного на микросхеме LTC3105, выполняющей функцию повышающего преобразователя, и микросхеме LTC4071 – шунтовом зарядном устройстве Li-Ion аккумуляторов. Источником входной энергии для LTC3105 служит двухэлементная солнечная панель с максимальной выходной мощностью 400 мВт. При полном солнечном освещении устройство может отдавать зарядный ток до 60 мА. Управление входной мощностью не позволяет напряжению солнечной панели падать ниже точки максимальной мощности 750 мВ (Рисунок 1). Выходное напряжении преобразователя запрограммировано внешним резистором на уровне 4.35 В – чуть выше напряжения 4.2 В ненагруженного Li-Ion аккумулятора. Шунтовое зарядное устройство LTC4071 ограничивает напряжение на аккумуляторе значением 4.2 В. Заземление вывода FBLDO задает 2.2 В на выходе LDO регулятора, от которого питается светодиод статуса заряда. Светодиод включается во время зарядки, и выключается, когда разность между текущим напряжением на аккумуляторе и напряжением холостого хода уменьшается до 40 мВ, индицируя, таким образом, приближение окончания зарядки. NTC термистор измеряет температуру аккумулятора и снижает напряжение холостого хода LTC4071 при высоких температурах окружающей среды, обеспечивая тепловую защиту аккумулятора. Для защиты аккумулятора от повреждения из-за чрезмерного разряда предусмотрена функция, отключающая аккумулятор от нагрузки, если напряжение на нем падает ниже 2.7 В.

Рисунок 3.	Зарядное устройство для Li-Ion аккумулятора, работающее от двухэлементной солнечной панели.

Заключение

Несмотря на то, что описанная здесь схема вырабатывает лишь несколько сотен милливатт, она может генерировать мощность, достаточную для поддержания полного заряда Li-Ion аккумулятора емкостью 400 мА×ч практически при любых погодных условиях. Сочетание низкого входного напряжения с управлением входной мощностью делает LTC3105 идеальным решением для низковольтных приложений с солнечным питанием. Микросхему LTC3105 хорошо дополняет шунтовое зарядное устройство LTC4071, поддерживающее точный уровень выходного напряжения холостого хода, индицирующее статус заряда и обеспечивающее функции тепловой защиты, увеличивающей время автономной работы аккумулятора при эксплуатации вне помещений.

Ссылки

Материалы по теме